許多人認為安裝更多的風力渦輪機和太陽能電池板以及製造更多的電動汽車可以解決我們的能源問題，但我不同意他們的看法。 這些設備，加上電池、充電站、傳輸線和許多其他使它們工作所必需的結構 代表高度的複雜性.
相對較低的複雜性，例如新水電站大壩的複雜性，有時可用於解決能源問題，但 我們不能期望總是可以實現更高級別的複雜性.
根據人類學家約瑟夫·泰恩特 (Joseph Tainter) 在其著名著作中的說法， 複雜社會的崩潰，有 增加的複雜性收益遞減. 換句話說，最有益的創新往往最先被發現。 後來的創新往往幫助不大。 最終，相對於所提供的好處，增加複雜性的能源成本變得太高。
在這篇文章中，我將進一步討論複雜性。 我還將提供證據表明世界經濟可能已經達到復雜性極限。 此外，流行的措施，“能源投資的能源回報” (EROEI) 涉及直接使用能源，而不是體現在增加的複雜性中的能源。 因此，EROEI 指標往往表明風力渦輪機、太陽能電池板和電動汽車等創新比實際情況更有幫助。 其他類似於 EROEI 的措施也犯了類似的錯誤。
[1] 在這 與內特·哈根斯的視頻, Joseph Tainter 解釋了能量和復雜性如何趨於同時增長，Tainter 稱之為能量-複雜性螺旋。
圖 1. 能源複雜性螺旋從 2010演示文稿 被稱為 能源複雜性螺旋 約瑟夫·泰恩特。
根據 Tainter 的說法，活力和復雜性是相輔相成的。 首先，不斷增加的複雜性可以通過鼓勵使用可用能源產品來促進經濟增長。 不幸的是，這種不斷增加的複雜性會導致收益遞減，因為首先會找到最簡單、最有益的解決方案。 當增加的複雜性的好處相對於所需的額外能量變得太小時，整體經濟往往會崩潰——他說這相當於“迅速失去複雜性”。
日益增加的複雜性可以通過多種方式降低商品和服務的成本：
規模經濟的產生是由於更大的企業。
全球化允許使用替代原材料、更便宜的勞動力和能源產品。
高等教育和更專業化可以帶來更多創新。
改進的技術使商品的製造成本更低。
改進的技術可以為車輛節省燃料，從而實現持續的燃料節省。
奇怪的是，在實踐中，複雜性的增加往往會導致更多而不是更少的燃料使用。 這被稱為 傑文斯悖論. 如果產品更便宜，更多的人有能力購買和使用它們，那麼總的能源消耗往往會更大。
[2] 在上面鏈接的視頻中，Tainter 教授描述複雜性的一種方式是它是 為系統增加結構和組織的東西.
我認為來自風力渦輪機和太陽能電池板的電力比來自水力發電廠或化石燃料發電廠的電力複雜得多的原因是因為 這些設備的輸出遠遠不能滿足我們目前運行的電力系統的需求。 風能和太陽能發電需要復雜性來解決它們的間歇性問題。
通過水力發電，水很容易從大壩後面收集起來。 通常，可以儲存一些水以供日後需求量大時使用。 大壩後面收集的水可以通過渦輪機運行，因此電力輸出與當地使用的交流電模式相匹配。 來自水力發電大壩的電力可以快速添加到其他可用發電中，以匹配用戶喜歡的用電模式。
另一方面，風力渦輪機和太陽能電池板的輸出需要更多的幫助（“複雜性”）來匹配消費者的用電模式。 來自風力渦輪機的電力往往非常混亂。 它按照自己的時間表來來去去。 太陽能電池板的電力是有組織的，但這種組織並沒有很好地符合消費者喜歡的模式。
一個主要問題是冬天需要用電取暖，但夏天太陽能卻不成比例； 風的可用性是不規則的。 可以添加電池，但這主要是為了緩解錯誤的“一天中的時間”問題。 錯誤的“年度時間”問題需要通過使用較少的並行系統來緩解。 最流行的備用系統似乎是天然氣，但也可以使用石油或煤炭的備用系統。
這種雙系統的成本高於單獨全職運行的任何一個系統。 例如，需要建立一個帶有管道和儲存裝置的天然氣系統，即使一年中只有部分時間使用天然氣發電。 聯合系統需要各個領域的專家，包括輸電、天然氣發電、風力渦輪機和太陽能電池板的維修以及電池製造和維護。 所有這些都需要教育系統和國際貿易，有時還需要與不友好的國家進行貿易。
我也認為電動汽車很複雜。 一個主要問題是，經濟將需要一個雙系統（用於內燃機和電動汽車）很多年。 電動汽車需要使用來自世界各地的元素製成的電池。 他們還需要一整套充電站系統來滿足他們頻繁充電的需要。
[3] 泰恩特教授 說到點子上 這種複雜性會產生能源成本，但這種成本幾乎無法衡量。
能源需求隱藏在許多領域。 例如，要有一個複雜的系統，我們需要一個金融系統。 該系統的成本無法加回去。我們需要現代化的道路和法律體系。 政府提供這些服務的成本不容易辨別。 一個日益複雜的系統需要教育來支持它，但這種成本也很難衡量。 此外，正如我們在其他地方指出的那樣，擁有雙系統會增加其他難以衡量或預測的成本。
[3] 在一個經濟體中，能源複雜性的螺旋式上升不可能永遠持續下去。
能源複雜性螺旋至少可以通過三種方式達到極限：
[a] 各種礦物的提取放在最佳位置優先. 油井首先佈置在石油容易開採、靠近人口密集區的地區。 煤礦首先放在煤炭容易開採、用戶運輸成本低的地方。 鋰、鎳、銅和其他礦產的礦山首先放在產量最好的位置。
最終，由於收益遞減，能源生產成本上升而不是下降。 石油、煤炭和能源產品變得更加昂貴。 風力渦輪機、太陽能電池板和電動汽車的電池也往往變得更加昂貴，因為製造它們的礦物成本上升。 包括“可再生能源”在內的各種能源商品往往變得更便宜。 事實上，有 許多報導 生產成本 風力渦輪機 和 太陽能電池板 2022 年上升，使這些設備的製造無利可圖。 成品設備的價格上漲或設備生產商的盈利能力下降可能會阻止使用量的增加。
[b] 人口趨於持續增長 如果食物和其他供應充足，但可耕地供應接近穩定。 這種結合給社會施加了壓力，要求其不斷創新，從而提高每英畝土地的糧食供應量。 這些創新最終會導致收益遞減，使糧食生產更難跟上人口增長的步伐。 有時，天氣模式的不利波動表明糧食供應多年來一直太接近最低水平。 食品價格飆升和只能負擔不當飲食的工人健康狀況不佳，導致增長螺旋式下降。
[c] 複雜性的增長達到了極限。 最早的創新往往是最有成效的。 例如，電只能發明一次，電燈泡也是如此。 在達到最高水平之前，全球化只能走這麼遠。 我認為債務是複雜性的一部分。 在某些時候，債務無法用利息償還。 當工人找不到工資足夠高的工作來償還教育貸款以及支付生活費用時，高等教育（專業化所需）達到了極限。
[4] Tainter 教授提出的一點是，如果可用能源供應減少，系統將需要 簡化.
通常，一個經濟體會增長一百多年，達到能源複雜性極限，然後在幾年內崩潰。 這種崩潰可以以不同的方式發生。 一層政府可能會崩潰。 我認為 1991 年蘇聯中央政府的崩潰是一種更簡單的崩潰形式。 或者一個國家征服另一個國家（存在能源複雜性問題），接管另一個國家的政府和資源。 或者發生金融崩潰。
Tainter 說簡化通常不會自動發生。 他給出的一個自願簡化的例子涉及 7 世紀的拜占庭帝國。 由於可用於軍隊的資金較少，它放棄了一些距離較遠的哨所，並使用成本較低的方法來運營剩餘的哨所。
[5] 在我看來，這很容易 歐洲投資報酬率 計算（和類似計算）來誇大復雜類型能源供應的好處。
Tainter 教授在上面鏈接的談話中提出的一個要點是 複雜性有能源成本，但這種複雜性的能源成本幾乎無法衡量. 他還指出，不斷增加的複雜性是誘人的； 複雜性的總體成本往往會隨著時間的推移而增加。 模型往往會遺漏支持高度複雜的新能源供應所需的整個系統的必要部分。
由於復雜性所需的能量難以衡量，因此針對複雜系統的 EROEI 計算往往會使復雜形式的發電（例如風能和太陽能）看起來比實際使用的能源更少（具有更高的 EROEI） . 問題是 EROEI 計算只考慮直接的“能源投資”成本。 例如，這些計算並非旨在收集有關雙系統的較高能源成本的信息，該系統的某些部分在一年中的部分時間未得到充分利用。 年度成本不一定會按比例減少。
在鏈接的視頻中，Tainter 教授談到了多年來石油的 EROEI。 我對這種類型的比較沒有問題，特別是如果它在最近改變為更多地使用水力壓裂之前停止，因為複雜程度是相似的。 事實上，這樣一個省略水力壓裂的比較似乎是 Tainter 所做的。 不同複雜程度的不同能量類型之間的比較很容易被扭曲。
[6] 目前的世界經濟似乎已經朝著簡化的方向發展，這表明由於缺乏廉價能源產品，複雜性的趨勢已經超過了其最高水平。
我想知道我們是否已經開始看到貿易的簡化，尤其是國際貿易，因為航運（通常使用石油產品）的價格越來越高。 這可能被認為是一種簡化，以應對缺乏足夠的 便宜 能源供應.
圖 2. 貿易占世界 GDP 的百分比，基於世界銀行的數據。
根據圖 2，貿易占 GDP 的百分比在 2008 年達到頂峰。此後貿易總體呈下降趨勢，表明世界經濟至少在某些方面有收縮趨勢，因為它已觸及高價限制。
另一個降低複雜性趨勢的例子是自 2010 年以來美國本科學院和大學入學率的下降。 其他數據顯示 從 1950 年到 2010 年，本科生入學人數幾乎翻了三倍，因此 2010 年後的下降趨勢是一個重大轉折點。
圖 3. 美國全日制和非全日製本科高校學生總數，根據 國家教育統計中心.
招生轉移之所以成問題，是因為高校有巨額的固定開支。 其中包括必須維護的建築物和場地。 通常也需要償還債務。 教育系統也有終身教職人員，在大多數情況下，他們有義務留任教職員工。 他們可能有未得到充分資金的養老金義務，增加了另一個成本壓力。
據與我交談過的學院教職工反映，近幾年一直存在提高被錄取學生留存率的壓力。 換句話說，他們覺得他們被鼓勵阻止在讀學生輟學，即使這意味著稍微降低他們的標準。 與此同時，教師工資跟不上通貨膨脹。
其他信息表明，學院和大學最近非常重視實現更多樣化的學生群體。 過去可能因為高中成績低而無法被錄取的學生越來越多地被錄取，以防止入學率進一步下降。
從學生的角度來看，問題在於薪水足夠高以證明大學教育的高成本是合理的工作越來越少。 這似乎是美國學生債務危機和本科入學人數下降的原因。
當然，如果大學至少在一定程度上降低了錄取標準，或許還降低了畢業標準，那麼就有必要將這些越來越多樣化、本科成績記錄稍差的畢業生“出售”給可能僱用他們的政府和企業。 在我看來，這是複雜性喪失的進一步跡象。
[7] 2022 年，大多數經合組織國家的能源總成本相對於 GDP 開始飆升至較高水平。 當我們分析情況時，電價正在飆升，煤炭和天然氣的價格也在飆升——這兩種最常用於發電的燃料。
圖 4. 文章中的圖表， 能源支出激增，給政策制定者帶來挑戰, 由兩位經合組織經濟學家撰寫。
經合組織 是一個主要由富裕國家組成的政府間組織，旨在刺激經濟進步和促進世界增長。 它包括美國、大多數歐洲國家、日本、澳大利亞和加拿大等國家。 圖 4 的標題是“高能源支出時期通常與經濟衰退有關”，是由兩位為經合組織工作的經濟學家準備的。 灰色條表示經濟衰退。
圖 4 顯示，到 2021 年，與能源消耗相關的幾乎每個成本部分的價格都趨於飆升。 與往年相比，電力、煤炭和天然氣價格都非常高。 與前幾年的成本相比，能源成本中唯一沒有太大偏差的部分是石油。 煤炭和天然氣都用於發電，因此高昂的電費不足為奇。
在圖 4 中，經合組織經濟學家的標題指出了對世界各地的經濟學家來說顯而易見的事情：能源價格高企往往會使經濟陷入衰退。 公民被迫削減非必需品，減少需求並將其經濟推向衰退。
[8] 世界似乎正面臨煤炭開採限制。 這一點，再加上長距離運輸煤炭的高成本，導致煤炭價格非常高。
自 2011 年以來，世界煤炭產量幾乎持平。煤炭發電量的增長幾乎與世界煤炭產量持平。 間接地，煤炭生產缺乏增長迫使世界各地的公用事業轉向其他類型的發電。
圖 5. 世界煤炭開採量和世界煤炭發電量，基於 BP 的數據 2022年世界能源統計回顧.
[9] 考慮到多種類型的需求不斷增長，天然氣現在也供不應求。
雖然天然氣產量一直在增長，但近年來增長速度並不快 足夠 以跟上世界對天然氣進口不斷增長的需求。 2021 年世界天然氣產量僅比 1.7 年高出 2019%。
天然氣進口需求的增長同時來自幾個方向：
由於煤炭供應停滯且進口不足，各國正在尋求用天然氣發電替代煤炭發電。 中國是世界上最大的天然氣進口國，部分原因在於此。
擁有風能或太陽能發電的國家發現，當風能和太陽能不可用時，天然氣發電可以迅速增加並補充。
包括印度尼西亞、印度和巴基斯坦在內的幾個國家的天然氣產量正在下降。
歐洲選擇停止從俄羅斯進口天然氣，現在需要更多的液化天然氣。
[10] 天然氣的價格變化很大，這取決於天然氣是否在當地生產，以及運輸方式和合同類型。 一般來說，本地生產的天然氣是最便宜的。 煤炭也有類似的問題，本地生產的煤炭是最便宜的。
這是最近日本出版物 (IEEJ) 中的圖表。
圖6 日刊世界三地天然氣價格對比 國際電氣工程雜誌，日期為 23 年 2023 月 XNUMX 日。
底部的 Henry Hub 低價是美國價格，僅在當地有售。 如果美國境內的供應量很高，那麼它的價格往往會很低。 下一個更高的價格是日本進口液化天然氣 (LNG) 的價格，根據長期合同安排，為期數年。 最高價格是歐洲根據“現貨市場”價格為液化天然氣支付的價格。 現貨市場液化天然氣是那些沒有提前計劃的人唯一可用的液化天然氣類型。
近年來，歐洲一直在冒險獲得較低的現貨市場價格，但當沒有足夠的現貨時，這種方法可能會適得其反。 請注意，歐洲進口液化天然氣的高價在 2013 年 XNUMX 月烏克蘭入侵開始之前就已經很明顯了。
一個主要問題是運輸天然氣極其昂貴，往往至少使用戶的價格增加一倍或三倍。 生產商需要保證 LNG 的長期高價，以使生產和運輸天然氣所需的所有基礎設施成為 LNG 有利可圖。 液化天然氣價格的極端變化一直是天然氣生產商的一個問題。
近期歐洲液化天然氣價格非常高，這使得天然氣價格對於需要天然氣用於除發電以外的工藝（例如製造氮肥）的工業用戶來說太高了。 這些高昂的價格導致缺乏廉價天然氣的困擾蔓延到農業部門。
大多數人都是“能源盲”，尤其是在煤炭和天然氣方面。 他們假設有大量的兩種燃料可以廉價開採，基本上是永遠開採。 很遺憾， 對於煤炭和天然氣，運輸成本往往非常高. 這是建模者所懷念的。 這是高 交付成本 天然氣和煤炭，這使得公司無法實際開採根據儲量估計似乎可用的煤炭和天然氣量。
[10] 當我們分析近年來的電力消費時，我們發現自 2001 年以來，OECD 和非 OECD 國家的電力消費增長模式有著驚人的不同。
經合組織的用電量一直接近持平，尤其是自 2008 年以來。即使在 2008 年之前，其用電量也沒有快速增長。
現在的提議是增加經合組織國家的電力使用。 電力將更多地用於為車輛提供燃料和為房屋供暖。 它還將更多地用於本地製造，尤其是電池和半導體芯片。 我想知道如果過去的電力生產基本持平，經合組織國家將如何能夠充分提高電力生產以覆蓋當前的電力使用和計劃中的新用途。
圖 7. 根據 BP 的數據，經合組織國家按燃料類型劃分的電力生產 2022年世界能源統計回顧.
圖 7 顯示，經合組織國家的煤炭在電力生產中的份額一直在下降，尤其是自 2008 年以來。“其他”一直在上升，但僅足以保持整體產量持平。 其他包括可再生能源，包括風能和太陽能，以及來自石油和垃圾焚燒的電力。 後幾類很小。
非經合組織國家最近的能源生產模式非常不同：
圖 8. 根據 BP 的數據，非經合組織國家按燃料類型分列的電力生產 2022年世界能源統計回顧.
圖 8 顯示，非經合組織國家一直在迅速提高煤炭發電量。 其他主要燃料來源是天然氣和水力發電大壩產生的電力。 所有這些能源都相對不復雜。 來自當地生產的煤炭、當地生產的天然氣和水力發電的電力往往都非常便宜。 有了這些廉價的電力來源，非經合組織國家已經能夠主宰世界重工業和大部分製造業。
事實上，如果我們觀察當地生產的通常用於發電的燃料（即除石油以外的所有燃料），我們就會發現一種模式。
圖 9. 根據 BP 的數據，OECD 國家通常用於發電的燃料的能源生產 2022年世界能源統計回顧.
關於通常與電力相關的燃料提取，即使包括“可再生能源”（風能、太陽能、地熱能和木屑），產量也已接近持平。 煤炭產量下降。 煤炭產量下降很可能是經合組織電力供應增長乏力的主要原因。 從歷史上看，本地生產的煤炭發電價格非常低廉，從而降低了平均電價。
當審視非經合組織國家用於發電的燃料生產時，就會出現一種截然不同的模式。 請注意，圖 9 和圖 10 使用了相同的比例尺。因此，在 2001 年，經合組織國家和非經合組織國家的這些燃料產量大致相等。 自 2001 年以來，非經合組織國家的這些燃料產量大約翻了一番，而經合組織的產量則接近持平。
圖 10. 根據 BP 的數據，非經合組織國家通常用於發電的燃料的能源生產 2022年世界能源統計回顧.
圖 10 中感興趣的一項是非經合組織國家的煤炭產量，在底部以藍色顯示。 自 2011 年以來幾乎沒有增長。這是目前世界煤炭供應趨緊的部分原因。 我懷疑飆升的煤炭價格是否會大大增加長期的煤炭產量，因為真正的本地供應正在枯竭，即使在非經合組織國家也是如此。 飆升的價格更有可能導致經濟衰退、債務違約、商品價格下跌和煤炭供應減少。
[11] 恐怕世界經濟已經達到復雜性極限以及能源生產極限。
世界經濟似乎有可能在數年內崩潰。 在短期內，結果可能看起來像嚴重的衰退，或者看起來像戰爭，或者可能兩者兼而有之。 到目前為止，使用電力不是很複雜的燃料（本地生產的煤炭和天然氣，加上水力發電）的經濟體似乎比其他經濟體做得更好。 但整體世界經濟因本地生產的廉價能源供應不足而承受壓力。
用物理學術語來說，世界經濟以及其中的所有個體經濟體都是 耗散結構. 因此，先增長後崩潰是一種常見的模式。 同時，預計會形成新版本的耗散結構，其中一些可能會更好地適應不斷變化的條件。 因此，在今天看來不可能實現的經濟增長方法在更長的時間框架內可能成為可能。
例如，如果氣候變化讓極寒地區獲得更多煤炭供應，那麼 最大功率原理 這表明某些經濟體最終將獲得此類存款。 因此，雖然我們現在似乎即將走到盡頭，但從長遠來看，自組織系統有望找到利用（“耗散”）任何可以廉價獲得的能源供應的方法，同時考慮到復雜性和直接燃料使用。
蓋爾·特維爾伯格
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